Research Article

Journal of Korean Institute of Architectural Sustainable Environment and Building Systems. 30 October 2024. 466-477
https://doi.org/10.22696/jkiaebs.20240039

ABSTRACT


MAIN

  • 서 론

  • 연구방법

  •   연구대상

  •   대상건물의 목질화 리모델링 방법

  •   실내공기질 현장측정 방법

  •   건물에너지 사용량 분석 방법

  • 실내공기질 측정 결과

  •   총휘발성유기화합물(TVOC) 측정결과

  •   폼알데하이드(HCHO) 측정결과

  •   총부유세균(TAB) 측정결과

  •   미세먼지(PM2.5) 측정결과

  • 건물에너지 사용량 분석 결과

  •   시뮬레이션을 활용한 목질화 건축물의 에너지 절감량 분석

  • 결 론

서 론

현대 도시인은 일상 시간의 약 90%를 실내에서 보내며, 재택근무와 온라인 학습의 증가로 인해 실내 생활시간이 더욱 길어지고 있다(Park et al., 2023; Kim et al., 2024). 이에 따라 실내 환경과 공기질 개선에 대한 요구가 커지고 있으며, 이러한 인식을 반영해 환경부는 2004년 다중이용시설의 실내공기질 관리법을 제정했다. 이 법은 자가측정과 지자체의 지도점검 의무를 부여하고 있으며, 적용 대상과 시설 수를 지속적으로 확대하고 있다(Lee et al., 2014; Choi and Ryu, 2023; Choi et al., 2023). 실내공기질은 건강과 삶의 질에 직접적인 영향을 미치며, 오염된 공기는 알레르기, 호흡기 질환, 두통, 피로 등을 유발할 수 있다. 특히, 어린이, 노인, 임산부, 그리고 호흡기 질환자들에게 더 큰 위험을 초래한다. 실내공기질은 환기 상태, 건축 자재, 가구, 청소 용품에서 나오는 화학물질에 의해 좌우되며, 밀폐된 공간에서는 유해 물질들이 축적되어 건강에 악영향을 미칠 수 있다(Kim et al., 2022b). 따라서 깨끗한 공기를 유지하기 위해서는 정기적인 환기, 친환경 자재 사용이 필수적이며, 실내공기질 개선은 단순히 건강뿐만 아니라 에너지 효율성 향상에도 중요한 역할을 하여, 더 나은 지속 가능한 실내 환경 조성에 기여할 수 있다.

현대 건축물의 실내 환경 개선 요구가 증가하면서, 실내공기질뿐만 아니라 건물에너지 사용에도 많은 관심이 집중되고 있다. 건물에너지 문제는 과도한 에너지 소비, 낮은 에너지 효율, 그리고 지속 가능한 자원 사용 부족에서 비롯된다(Kim et al., 2022a). 특히, 노후된 건축물의 경우 단열 성능이 떨어지고, 에너지 손실이 많아 난방과 냉방에 불필요한 에너지가 낭비되는 문제가 있다. 이는 탄소 배출을 증가시키고, 온실가스 배출의 주요 원인으로 작용하며 기후 변화에 부정적인 영향을 미친다(Kim and Choi, 2019).

목재를 건축 자재로 사용하는 것은 다양한 이점을 제공한다. 목재는 재생 가능한 자원으로, 다른 자재에 비해 제조 과정에서 탄소 배출이 적고, 탄소 저장 기능이 있어 탄소 저감에 기여한다(Park et al., 2022b). 목재는 수분을 흡수하고 방출하는 특성이 있어 실내 습도 조절에 효과적이며, 실내공기질을 개선하고 호흡기 건강에 긍정적인 영향을 미칠 수 있다. 더불어, 목재 공간은 심리적 안정과 스트레스 감소에 도움이 되고, 따뜻하고 편안한 분위기를 조성하여 집중력 향상과 생산성 증가에도 기여한다(Yeo et al., 2023). 기존 리모델링에서 목재는 디자인적 목적이나 구조적 보강을 위해 주로 사용되지만, 그린 리모델링에서의 목질화는 에너지 효율성과 지속 가능성을 핵심으로, 환경에 미치는 영향을 줄이기 위해 사용된다. 하지만 일반적인 그린 리모델링의 범주에서 실내를 목질화하는 목질화 리모델링의 경우에는 그린 리모델링에 포함되지 않으며, 인테리어 디자인 요소로 여겨 그린 리모델링에 따른 이자 지원을 받을 수 없다. 하지만 2050 탄소중립을 위해서는 높은 탄소고정 효과를 갖는 목재를 연료의 형태가 아닌 자재 등의 형태로 오랫동안 사용할 필요가 있으므로 적극적으로 적용하는 것에 대한 필요성이 강조되고 있다.

이에 본 연구는 다중이용시설인 대학 강의실과 어린이집을 대상으로 목질화 리모델링실시하였다. 목질화 리모델링 전후의 실내공기질 변화를 측정을 통해 목재 적용이 실내 환경에 미치는 영향을 분석하였으며, 시뮬레이션 프로그램을 통해 건물에너지 사용량을 분석함으로써 목질화 리모델링이 에너지 효율성에 미치는 영향을 평가했다. 본 연구를 통해 목재를 적용한 리모델링이 단순한 인테리어를 넘어 실내공기질 개선과 건물에너지의 효율성 향상, 앞으로의 실내 환경 개선에 대한 중요한 시사점을 제공할 수 있을 것으로 판단된다.

연구방법

연구대상

일반적인 그린 리모델링의 범주에서 실내를 목질화하는 리모델링은 그린 리모델링에 포함되지 않는다. 이는 인테리어 디자인 요소로 간주되어 그린 리모델링에 따른 이자 지원을 받을 수 없다. 그러나 목재는 단열 성능이 우수하고 재생 가능한 자원으로, 연료가 아닌 자재나 가구로 오랜 기간 사용할 수 있으므로, 리모델링 시 목재 활용의 필요성이 강조되고 있다(Jeong et al., 2017). 본 연구는 노후 건축물을 대상으로 목질화 리모델링을 적용하여 실내환경 개선 효과를 분석하였다. 리모델링 전후의 실내공기질과 건물에너지 평가를 진행하였으며, 대상건물은 Table 1에 나타냈다. 두 곳의 건물은 천안과 진주에 위치하였으며, 천안은 2008년에 준공된 노후된 어린이집으로 콘크리트와 조적조의 건축물이다. 진주는 1998년에 준공된 대학 강의실로 철골조의 건축물이다. 두 건물은 벽체의 균열, 천장 누수, 외벽과 창호의 노후화로 인한 온열 환경 취약 등의 문제로 실내환경을 개선할 필요가 있다.

실내환경 개선을 목적으로 목질화 리모델링을 진행하였으며, 이 과정에서 공간 사용자의 요구와 의견을 적극 반영하여 목질화 면적을 결정하였다. 천안 어린이집은 총 104.8 m²의 공간 중 7.8 m²를 목질화하였고, 진주 강의실은 264.4 m² 중 62.9 m²를 목질화 리모델링을 실시하였다.

Table 1.

Characteristics of the studied building

Cheonan Jinju
Building exterior https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/kiaebs/2024-018-05/N0280180506/images/Figure_KIAEBS_18_5_06_T1-1.jpghttps://cdn.apub.kr/journalsite/sites/kiaebs/2024-018-05/N0280180506/images/Figure_KIAEBS_18_5_06_T1-2.jpg
Purpose Childcare facilities University laboratory classroom
Completion year 2008 1998
Construction Concrete and masonry Steel structure
Remodeling area 111.1 m2 92.9 m2

대상건물의 목질화 리모델링 방법

목질화 리모델링에서는 국산 편백 목재를 수급하여 시공하였으며, 편백 목재는 그 특유의 피톤치드 방출로 실내공기질을 개선하고, 자연스러운 향과 질감을 유지하는 장점이 있다. 리모델링 과정은 Figure 1과 같으며, 리모델링 시 공간 사용자를 고려하여 시공하였다. 천안 어린이집은 벽체에 목재를 적용하였으며, 목재의 따뜻한 색감과 자연스러운 질감을 활용하여 쾌적한 학습 환경을 조성하였다. 진주 강의실은 벽체뿐만 아니라 바닥 일부에도 목재를 적용하여, 공간 전체에 일관된 디자인과 편안한 분위기를 연출하였다. 목재의 접착에는 환경 친화적인 접착제와 에어 네일러를 사용하여 유해물질 방출을 최소화하였으며, 특히 목재의 표면 마감은 자연스러운 목재의 향과 질감을 최대한 살리기 위해 사포로 표면을 부드럽게 처리하는 것 외에는 추가적인 마감을 하지 않았다. 이를 통해 목재 고유의 자연스러움과 건강한 실내환경을 유지하는 데 중점을 두었다.

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Figure 1.

Target building remodeling process

실내공기질 현장측정 방법

대상건물의 실내공기질은 실제 운영시간에 측정을 진행하였으며, 목질화 리모델링 전, 리모델링 직후로 실내공기질을 측정하였다. 실내공기질 측정 인자는 폼알데하이드(Formaldehyde, HCHO), 총휘발성유기화합물(Total Volatile Organic Compounds, TVOC), 인공 휘발성유기화합물(Anthropogenic Volatile Organic Compounds, AVOC), 생물학적 휘발성유기화합물(Biogenic Volatile Organic Compounds, BVOC), 미세먼지(particulate matter, PM2.5)를 대상으로 측정하였으며, HCHO, TVOC, AVOC, BVOC는 정밀한 분석을 위해 목질화 리모델링 4주 후 추가 측정을 진행하였다. 측정 결과 분석은 환경부의 실내공기질 관리법 시행규칙 ‘실내공기질 유지기준’, ‘실내공기질 관리기준’(ME, 2023)에 따라 실내공기질을 평가하였다.

TVOC는 Mini Pump for VOC 장비와 Tenax-TA 고체흡착관을 이용하여 일정한 유속으로 30분간 연속 2회 채취하였다. HCHO는 Mini Pump for HCHO 장비와 DNPH Cartridge, Ozone Scrubber을 이용하여 일정한 유속으로 30분간 연속 2회 측정하였다. TVOC와 HCHO는 공기를 포집하여 각 유기화합물의 구성 및 농도를 분석을 위해 서울대학교 농생명과학공동기기원(NICEM)에 분석을 의뢰하였다. 총부유세균(TAB)은 실내공기질 공정시험기준에 따라 제조된 일반세균 분석을 위한 TSA (Tryptic Soy Agar) 배지를 이용하였으며, 충돌법으로 현장의 공기를 채취하였다. 20분 간격으로 3회 연속 측정하였으며, 채취가 완료된 배지는 뚜껑을 덮고 파라필름으로 밀봉하여 직사광선을 피해 실온에서 실험실로 운반하여, 시료를 채취한 배지는 35±1℃에서 48시간 동안 배양기에서 배양하였다. 미세먼지 측정기(TSI-8534)의 측정방식은 입자가 빛에 노출되면 산란, 굴절, 반사, 흡수 등으로 발생한 차이의 정도를 광학센서로 측정하는 광산란방식을 사용하였다. 해당 장비의 측정가능 범위는 0.001-150 mg/m3이며, 분해능은 ± 0.1% 또는 ± 0.001 mg/m3, 측정 입자경은 0.1-15 μm으로, 미세먼지(PM2.5)의 측정이 충분히 가능한 성능을 확인하였다.

Table 2.

Indoor air quality measurement method

Classification Cheonan Jinju
Measurement period Before 2023. 08. 23. ~ 2023. 08. 24. 2023. 07. 26. ~ 2023. 07. 27.
After 2023. 10. 30. ~ 2023. 10. 31. 2023. 10. 28. ~ 2023. 10. 29.
HVAC system Floor-standing air conditioner
Radiant floor heating
(Operation while occupied)
Floor-standing air conditioner
(Operation while occupied)
Lighting LED LED
Indoor temperature (℃) Before 26.1 ~ 32.0 27.0 ~ 31.7
After 21.5 ~ 29.4 18.1 ~ 21.6
Outdoor temperature (℃) Before 24.6 ~ 37.9 25.9 ~ 38.0
After 14.7 ~ 53.5 14.5 ~ 21.6
Measurement items Formaldehyde; HCHO (μg/m3)
Total Airborne Bacteria; TAB (CFU/m3)
Total Volatile Organic Compound; TVOC (μg/m3)
Anthropogenic Volatile Organic Compounds; AVOC (μg/m3)
Biogenic Volatile Organic Compounds; BVOC (μg/m3)
Particulate matter; PM2.5 (μg/m3)
Measurement time 1:00 PM to 7:00 PM

건물에너지 사용량 분석 방법

목질화 리모델링을 통한 건물에너지 사용량 분석을 위해 건물에너지 해석 프로그램 DesignBuilder을 활용하였다. DesignBuilder는 시뮬레이션 데이터의 입력과 출력을 용이하게 한 EnergyPlus용 사용자 인터페이스로서, 다양한 패시브 및 액티브 시스템의 특성 및 스케줄을 반영하여 건물에너지 성능을 평가할 수 있다(Choi and Song, 2024). LEED와 ASHRAE 90.1 데이터 값(위치, 날씨, 재실자 사용 스케줄, 창호타입, 기계 환기 및 급탕 스케줄 등)이 탑재되어있으며, 3D로 건물을 모델링 하여 시각화할 수 있고, 작성한 모델에 대해서 빛, 온도, CO2 등의 환경을 동적 시뮬레이션한다(Park et al., 2022a). 건물에너지 사용량은 Table 2에 따라 천안 어린이집을 대상으로 모델링하였으며, 냉방, 난방, 조명에너지를 대상으로 분석하였다. 기존 건축물, 실제 적용된 목질화 비율의 건축물(7.4%), 전체 목질화 비율(100%)의 case를 설정하여 목질화 적용 비율에 따른 에너지 사용량 분석을 진행하였다.

실내공기질 측정 결과

총휘발성유기화합물(TVOC) 측정결과

총휘발성유기화합물(TVOC)은 다양한 휘발성유기화합물(VOCs)의 집합적인 농도를 나타내는 개념으로, 실온에서 쉽게 증발하여 공기 중으로 방출되는 특징을 가지고 있다. 총휘발성유기화합물은 대표적으로 접착제, 도료 등의 건축자재, 산업활동, 차량 배출가스 등에서 발생하는 인공 휘발성유기화합물(Anthropogenic Volatile Organic Compounds, AVOC)과 나무, 풀 등의 식물이나 미생물과 같은 생물체에서 자연적으로 발생하는 생물학적 휘발성유기화합물(Biogenic Volatile Organic Compounds, BVOC)로 구분된다(Kang et al., 2021). AVOC는 발암성을 가지고 있는 유해물질 5VOC인 벤젠(Benzene), 톨루엔(Toluene), 에틸벤젠(Ethylbenzene), 자일렌(o,m,p-Xylene), 스티렌(styrene)을 대상으로 분석하였다. 환경부 실내공기질법 시행규칙에 따르면 다중이용시설의 TVOC 권고기준은 500 μg/m3, 어린이집의 경우 400 μg/m3으로 권고하고 있다.

Table 3과 같이 천안 어린이집에서 리모델링 전 TVOC 농도는 771.83 μg/m³, 리모델링 24시간 후 1038.17 μg/m³로 증가했으며, 4주 후에는 289.45 μg/m³로 감소하여 환경부 기준보다 낮은 농도로 측정되었다. 리모델링 직후에 높았던 BVOC의 농도가 4주 후에는 주기적 환기와 청소로 인해 농도가 낮아진 것으로 판단된다. BVOC는 리모델링 직후 가장 높은 농도로 측정되었으며, 그 원인은 공간에 목재가 직접적으로 적용되었고 사포 표면 마감에 따른 것으로 판단된다. AVOC 농도는 리모델링 이후 점차 감소했으며, 이는 청소 용품에서 배출되는 톨루엔으로, 청소 직후와 청소 전 측정 시기의 차이에 따른 톨루엔 배출량 차이로 설명된다(Jang et al., 2007).

진주 강의실의 TVOC는 리모델링 전 243.2 μg/m³, 리모델링 24시간 후 2057.83 μg/m³, 4주 후 5701.65 μg/m3로 점차 증가했다. 시간이 지남에 따라 계속 증가한 이유는 해당 공간은 리모델링 전후로 사용을 하지 않았으며, 밀폐된 채 공간을 유지하고 있었다. 리모델링 후에도 목재와 같은 자재에서 VOC가 지속적으로 방출되었고, 밀폐된 공간에서 휘발성 물질이 축적되면서 TVOC 농도가 계속해서 증가한 것으로 보인다. TVOC 중 AVOC의 배출량은 리모델링 전에 비해 미비했지만, BVOC는 리모델링 이후 큰 폭으로 증가하였으며, 리모델링 시 목재의 보관, 절단을 리모델링 공간 안에서 이루어졌기 때문에 자재의 잔해가 공간에 남아있어 농도가 높게 측정된 것으로 판단된다. 이러한 결과는 목재를 실내에 적용함으로써 BVOC 배출량의 정도를 볼 수 있으며, 리모델링 후에도 자재에서 지속적으로 방출되는 VOC를 관리하기 위해 정기적인 환기와 철저한 청소가 필수적임을 강조한다. 이는 목질 자재를 사용하는 리모델링 과정에서 공기질 관리의 중요성을 부각하며, 실내 환경 개선을 위한 실질적 대응 방안을 마련하는 데 기여할 수 있을 것이라 판단된다.

Table 3.

TVOC, AVOC, and BVOC measurement results in the space before and after remodeling

Cheonan Jinju
Before 24 hour
later
4 weeks later Before 24 hour later 4 weeks later
TVOC 771.83 1038.17 289.45 243.20 2057.83 5701.65
AVOC
(5VOC)
Benzene 0.00 2.09 0.00 0.00 0.00 9.76
Toluene 260.10 71.20 18.82 7.52 10.10 10.43
Ethylbenzene 4.50 0.94 0.00 3.16 0.07 0.43
Xylene 4.81 1.54 2.66 1.64 6.17 1.87
Styrene 4.39 1.77 0.49 1.65 1.87 1.33
BVOC 76.35 308.56 82.46 59.75 1121.86 2522.95

폼알데하이드(HCHO) 측정결과

폼알데하이드(HCHO)는 무색의 기체로 자극적인 냄새가 특징이다. 주로 가구, 바닥재, 벽지 등의 건축 자재의 접착제 및 수지의 원료로 사용되며, HCHO는 공기 중에서 빠르게 분해되지만, 실내 공기 중 농도가 높아질 경우 인체에 유해할 수 있다(Son et al., 2023). 특히 건축 자재나 가구에서 지속적으로 방출될 경우 실내공기질을 저하시킬수 있기 때문에 건강 및 환경적 위험을 줄이기 위한 관리가 중요하다. 환경부 실내공기질법 시행규칙에 따르면, 다중이용시설의 HCHO의 유지기준은 100 μg/m3으로 정해져 있으며, 어린이집의 경우 80 μg/m3을 유지해야 한다. 대상공간의 HCHO 측정결과는 Figure 2와 같다.

천안 어린이집의 HCHO는 리모델링 전 49.7 μg/m3, 리모델링 24시간 후 30 μg/m3, 리모델링 4주 후 15.3 μg/m3으로 최대 62.5%까지 저감된 것을 알 수 있었으며, 진주 강의실 또한 같은 양상으로 61.8%까지 저감되었다. 목질화 리모델링 시 실내공기질을 고려하여 목재의 접착은 친환경 접착제 또는 못과 에어 네일러를 활용한 고정 방식으로 시공을 진행하였다. 또한 목재에서 방출되는 BVOC, 피톤치드의 주성분 테르펜류는 항균, 방충, 탈취 등의 효과가 있으며 HCHO와 같은 유해물질 제거에도 효과가 있는 것으로 알려져 있다(Kim et al., 2021).

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Figure 2.

Indoor air quality measurement results before and after remodeling

총부유세균(TAB) 측정결과

총부유세균(TAB)은 공기 중에 떠다니는 세균을 의미하며, 주로 먼지, 사람의 피부 세포, 천장이나 벽에서 떨어진 미세 입자 등과 결합하여 공기 중에 부유한다. 공기 순환에 따라 다양한 공간으로 확산되며, 특히 통풍이 부족한 공간에서 농도가 높아질 수 있다. 또한, 습도와 온도에 민감하여 습도가 높고 따뜻한 환경에서는 활발히 증식하며, 사람이 많은 장소나 활동량이 많은 공간에서도 농도가 증가할 수 있다.

TAB의 유지 기준은 800 CFU/m³이며, 천안 어린이집의 TAB는 리모델링 전 기준을 초과했으나, 목질화 리모델링 후 72.8 CFU/m³로 개선된 것을 Table 4를 통해 알 수 있다. 진주 강의실 역시 131.7 CFU/m³에서 50.4 CFU/m³로 감소하였다. 리모델링된 공간의 습도는 천안의 경우 37-41%, 진주는 68-71%로 유지되었다. 천안의 리모델링된 공간은 평균 40%의 습도를 유지했으나, 리모델링되지 않은 공간은 47%로 상대적으로 높았다. 이는 리모델링된 공간이 습도 조절에 더 효과적임을 보여준다(Jang et al., 2017). 진주 강의실의 경우, 리모델링 전 내부 습도가 외부보다 높았으나, 리모델링 후 내부와 외부 습도가 비슷하게 유지되어 공간의 습도 조절이 개선되었음을 확인할 수 있었다.

Table 4.

Measurement results of TAB and indoor, outdoor relative humidity

Cheonan Jinju
Before After Before After
Average TAB concentration (CFU/m3) - 72.8 131.7 50.4
Indoor relative humidity (%) 70 ~ 85 37 ~ 41 70 ~ 76 68 ~ 71
Outdoor relative humidity (%) 50 ~ 60 57 ~ 71 52 ~ 60 62 ~ 70

미세먼지(PM2.5) 측정결과

미세먼지는 대기 중 떠다니는 지름이 매우 작은 입자들로, 크기에 따라 PM10(지름 10μm 이하)과 PM2.5(지름 2.5μm 이하)로 나눠진다. PM10은 비교적 큰 입자들이 포함되어 코와 기관지에서 걸러질 수 있지만, 여전히 호흡기에 영향을 줄 수 있다. PM2.5는 입자 크기가 매우 작아 공기 중에 오래 머무를 수 있으며, 어린이, 노인, 그리고 호흡기 질환을 앓고 있는 사람들에게 더 큰 위험을 초래한다. 본 연구는 인체 건강과 환경에 더 큰 영향을 미치는 PM2.5를 대상으로 분석을 진행하였다.

PM2.5는 리모델링 전후로 실내 환경 변화를 모니터링하기 위해 24시간 동안 10분 간격으로 연속 측정하였으며, 결과는 Figure 3과 같다. 천안 어린이집은 리모델링 전 평균 4.4 μg/m3에서 리모델링 후 56 μg/m3로 증가하였으며, 진주 강의실은 21.7 μg/m3에서 리모델링 후 121.9 μg/m3로 증가하였다. 이러한 증가 원인은 리모델링 과정에서 발생한 목재 절단 및 마감 작업으로 인한 미세먼지 잔해가 실내에 남아있기 때문으로 분석된다. 특히, 리모델링 후 충분한 청소와 환기가 이루어지지 않아 실내 미세먼지 농도가 높아진 것으로 판단된다. 이 결과는 리모델링 후 실내공기질 관리, 주기적인 환기, 철저한 청소의 중요성을 강조하는 의미로 해석될 수 있다.

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Figure 3.

PM2.5 measurement results before and after remodeling

건물에너지 사용량 분석 결과

시뮬레이션을 활용한 목질화 건축물의 에너지 절감량 분석

건물은 난방, 냉방, 조명 등으로 많은 에너지를 소비하며, 이로 인해 온실가스가 배출된다. 건물에너지를 감축하면 온실가스 배출을 줄여 기후 변화 완화에 기여할 뿐 아니라 운영 비용 절감이 가능하다. 또한, 에너지 효율적인 건물은 단열성이 뛰어나 실내 온도를 일정하게 유지하고, 공기질 개선과 함께 쾌적한 실내 환경을 조성할 수 있다.

본 연구는 목질화의 비율에 따른 건물에너지 절감 효과를 분석하기 위해 3가지의 Case(기존 건축물, 실제 적용된 목질화 비율의 건축물, 전체 목질화 비율)를 설정하였으며, 천안 어린이집을 대상으로 DesignBuilder를 활용한 건물에너지 시뮬레이션을 진행하였다. 건물 외피의 열관류율은 목재의 열전도율을 활용하여 열관류율을 산출하였으며, 적용된 열관류율 값은 기존의 건축물의 경우 0.6 W/m2K, 목질화를 적용한 부위는 0.5 W/m2K가 적용되었다. 이에 따른 에너지 사용량의 결과는 Figure 4와 같다. 기존 건축물의 총 에너지 사용량은 127.4 kWh/m2이며, 목질화를 통해 125.8-121.8 kWh/m2으로 절감되었다. 실제 목질화 리모델링을 실시한 건축물은 1.3%까지 절감되었으며, 기존 건물에 비해 비교적 적은 양의 에너지가 절감되었다. 그 원인은 내벽을 대상으로 7.4%인 적은 양의 목재가 적용되었기 때문에 비교적 절감률이 적었던 것으로 판단된다. 모든 벽면을 목질화 리모델링 시 최대 4.4%까지 절감되어 보다 나은 효과를 볼 수 있다.

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Figure 4.

Building energy consumption simulation results based on wooden based application ratios

결 론

본 연구는 노후 건축물을 대상으로 한 실내 목질화 리모델링을 통해 실내 환경의 변화를 종합적으로 분석하였다. 연구의 주요 목적은 목질화를 통해 노후 건축물의 실내 환경을 개선하고, 이를 통해 실내공기질과 건물의 에너지 효율성을 높이는 가능성을 평가하는 것으로, 리모델링 전후의 실내공기질 변화를 세부적으로 조사하였다. 미세먼지(PM2.5), 총휘발성유기화합물(TVOC), 폼알데하이드(HCHO), 총부유세균(TAB)과 같은 공기 중 오염물질이 포함되며, 이러한 변화를 통해 실내공기질이 개선되었는지 확인하였다. 또한 건물에너지 사용량 평가를 위해, 리모델링 전후의 조명, 난방 및 냉방 에너지 사용량을 비교 분석하였다. 목재가 제공하는 단열 성능을 바탕으로 에너지 효율성이 어떻게 향상되는지를 분석하고, 에너지 절감 효과를 정량화하였다.

(1)실내공기질은 환경부의 실내공기질 관리법 시행규칙에 따라 휘발성유기화합물, 폼알데하이드, 총부유세균, 미세먼지를 측정하여 분석했다. 리모델링 후 BVOC와 PM2.5 농도가 급격히 증가했는데, 이는 목재 사용과 리모델링 잔해가 공간에 남아 영향을 준 것으로 판단된다. 천안 어린이집은 리모델링 4주 후 TVOC 농도가 감소한 반면, 진주 강의실은 리모델링 후 밀폐된 상태로 유지되어 TVOC 농도가 증가했다. 이러한 결과는 리모델링 후 정기적인 환기와 청소의 중요성을 강조한다.

(2)건물에너지 사용량의 경우 DesignBuilder를 통해 분석하였으며, 본 연구는 천안 어린이집을 대상으로 목질화 비율에 따른 건물에너지 절감 효과를 분석했다. 기존 건물, 7.4% 목질화, 100% 목질화를 비교한 결과, 목질화를 통해 에너지 사용량이 최대 4.4%까지 절감되었으며, 실제 목질화 리모델링에서는 1.3%의 절감 효과가 나타났다.

이상의 결과를 통해 목질화를 통해 실내공기질이 개선되고, 에너지 효율성이 증가한 것으로 나타났다. 목재의 습도 조절 능력과 단열 효과 덕분에 실내 환경이 더욱 쾌적해졌고, 난방 및 냉방에 필요한 에너지 사용량도 감소했다. 이와 같은 결과는 지속 가능한 건축 자재로서 목재의 가능성을 보여주며, 향후 건물 리모델링에 있어 목질화의 장점이 강조될 수 있음을 시사한다. 또한 본 연구는 실내 공기질과 건물 에너지 사용량을 단기간 시뮬레이션을 통해 분석한 결과를 바탕으로 하고 있다. 따라서 향후 장기적인 추가 연구와 실제 사용량에 대한 비교 분석을 통해 목질화 리모델링의 필요성과 중요성을 더욱 강조할 필요가 있다.

Acknowledgements

본 연구는 산림청(한국임업진흥원) 산림과학기술 연구개발사업(FTIS 2022466B10-2224-0201)의 지원에 의하여 이루어진 것입니다. 본 연구는 산림청(한국임업진흥원) 산림과학기술 연구개발사업(RS-2024-00404631)의 지원에 의하여 이루어진 것입니다.

References

1

Choi, B.H., Song, S.Y. (2024). Evaluation of Thermal Bridging Effect Modeling Method in Building Energy Simulation Using DesignBuilder Program. Journal of Korea Institute of Architectural Sustainable Environment and Building Systems, 18(2), 152-164.

2

Choi, S.H., Moon, H.J., Kim, M.K. (2023). A Study on the Improvement of Indoor Air Quality System in Public Facilities in Seoul - After the revision of the Indoor Air Quality Control Act in 2015 -. Journal of Korean Living Environment System, 30(1), 50-59.

10.21086/ksles.2023.2.30.1.50
3

Choi, Y.H., Ryu, J.Y. (2023). Comparison of Indoor Air Quality Concentration in Vulnerable or Sensitive Facilities in K-city Gyeongsangnam-do. Journal of Korean Society for Environmental Technology, 24(6), 442-448.

10.26511/JKSET.24.6.10
4

Jang, J.H., Lee, M., Kang, E.C., Lee, S.M. (2017). Characteristics of Low Density Fiberboards for Insulation Material with Different Adhesives (I) - Thermal Insulation Performance and Physical Properties -. Journal of the Korean Wood Science and Technology, 45(3), 360-367.

5

Jang, S.K., Chun, J.Y., Kim, S.Y., Park, S.Y., Ryu, J.M., Lim, J.Y., Lee, W.S. (2007). Seasonal variations of volatile organic compounds (VOCs) in indoor air of daycare centers. The Korean Society of Analytical Sciences, 20(6), 474-482.

6

Kang, Y.J., Kim, H.J., Lee, J.G., Ryu, J.M., Shim, I.K., Kim, S.M. (2021). Determination of the Contaminant Emission Rate in Non-Flat-Type Wood Products using Small Chamber and Desiccator. Journal of Korean Living Environment System, 28(4), 353-361.

10.21086/ksles.2021.8.28.4.353
7

Kim, H.J., Choi, S.J. (2019). An Experimental Study on a Performance Evaluation of Internal Insulation of Buildings Over 20 Years Old. Journal of The Korea Institute of Building Construction, 19(6), 539-547.

8

Kim, H.J., Park, J.I., Choi, J.M., Lee, J.H. (2022a). Remodeling Design Method to Improve the Energy Efficiency - Focused on Non-residential Building in the Original Downtown Area of Jeonju -. Korea Institute of Ecological Architecture and Environment, 22(1), 21-26.

10.12813/kieae.2022.22.1.021
9

Kim, I.S., Choi, S.Y., Choi, Y.S., Yang, E.I. (2021). Evaluation of Fundamental Properties and Formaldehyde Reduction Capacity of Concrete Mixed with Phytoncide. Journal of the Korea Concrete Institute, 33(5), 531-538.

10.4334/JKCI.2021.33.5.531
10

Kim, J.H., Ko, Y.J., Lee, M.S., Choi, S.H., Park, J.I., Jeong, S.G. (2024). Indoor Air Quality Assessment of Timber Passive Houses: Comparative Analysis Using Commercial Sensors and Air Sampling, and Consideration of VOC Standards. Journal of Korea Institute of Architectural Sustainable Environment and Building Systems, 18(3), 211-225.

11

Kim, T.Y., Kim, M.J., Baek, M.K., Kim, S.H., Moon, J.P., Jo, J.K., Choi, Y.K., Park, J.W., Kweon, B.Y. (2022b). A Study on the Distribution Characteristics of Formaldehyde, Volatile Organic Compounds, Particulate Matter, and Airborne Bacteria in Indoor Play Centers. Journal of Environmental Analysis, Health and Toxicology, 25(4), 117-131.

10.36278/jeaht.25.4.117
12

Lee, M., Park, S.B., Lee, S.M., Son, D.W. (2014). Characteristics of Volatile Organic Compounds and Aldehydes Emission from Yellow poplar. Journal of the Korean Wood Science and Technology, 42(4), 357-366.

10.5658/WOOD.2014.42.4.357
13

Park, H.D., Yeo, S.H., Park, J.Y., Chang, S.J. (2022a). A Retrofit Proposal for the Utilization of a Closed School with Historical Value. Journal of Korean Living Environment System, 29(6), 634-643.

10.21086/ksles.2022.12.29.6.634
14

Park, H.D., Yeo, S.H., Park, J.Y., Jeong, H.W. (2023). Indoor Air Quality and Building Energy Evaluation based on Core Layer Materials Applied in CLT. Journal of Korea Institute of Architectural Sustainable Environment and Building Systems, 17(6), 354-365.

15

Park, J.Y., Yeo, S.H., Lee, J.H., Chang, S.J. (2022b). Development of Hybrid Cross-laminated Timber with Phase Change Material/Biochar to Improve Thermal Storage Performance of Structural Wood. Journal of Korean Living Environment System, 29(6), 563-572.

10.21086/ksles.2022.12.29.6.563
16

Son, J.W., Yoo, S.W., Kim, S.Y., You, S.J., Jeong, H.C. (2023). Health Risk Assessment of Indoor Formaldehyde Exposure in Facilities for Medically Vulnerable People. Journal of Environmental Analysis, Health and Toxicology, 26(4), 139-146.

10.36278/jeaht.26.4.139
17

Yeo, S.H., Park, J.Y., Park, H.D., Chang, S.J. (2023). Emission Evaluation of VOC according to the Wood Application Rate of a Scale Model for Elementary School Classrooms. Journal of Korean Living Environment System, 30(1), 10-19.

10.21086/ksles.2023.2.30.1.10
18

Jeong, S.G., Jang, S.J., Wi, S.H., Kang, Y.J., Lee, J.K., Seo, J.K., Park, J.M., Choi, J.M., Kim, S.M. (2017). Technology development plan on building application of PCM for performance improvement of living space (11-1613000-001863-01). Seoul: Ministry of Land, Infrastructure and Transport.

19

Ministry of Environment (ME). (2023). Enforcement Rules of the Indoor Air Quality Control Act (Ministry of Environment Command No. 918. Effective Date: 2023.1.1.).

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